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Electrochemistry and spectroscopy of niobium in ionic liquids

Ievgeniia Lomako

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Bernhard Keppler

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DOI

10.25365/thesis.21106

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29819.03047.327565-0

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Niobium wird vor allem dank seinen einzigartigen Eigenschaften wie Supraleitung, thermische und mechanische Stabilität, hohe Korrosionsbeständigkeit, physiologische Trägheit etc. breit eingesetzt. Die hochtemperaturigen Salzschmelzen, die aus Alkalimetall-Halogeniden mit diversen Niobiumsalzen bestehen, sind die effizientesten Medien für elektrochemische Abscheidung von Niobium. Hohe Betriebstemperaturen (600-900°C), unter denen Substraten an thermischen Schädigungen und strukturellen Änderungen leiden können, bedeuten einen wesentlichen Nachteil solcher Elektrolyten. Deshalb stellen die niedrigtemperaturigen Salzschmelzen bzw. ionische Flüssigkeiten attraktive alternative Medien für elektrokemische Abscheidung von Refraktärmetallen bei Temperaturen unter 200oC dar. Es wurde eine Reihe von neuartigen ionischen Flüssigkeiten, die sowohl aus organischem Teil (1-butyl-1-methylpyrrolidinium chloride (Pyr14Cl)) als auch aus anorganischem Teil (NbCl5 und K2NbF7 Niobiumsalzen) bestehen, bei verschiedenen molaren Anteilen von Komponenten für elektrochemische Anwedungen synthetisiert. Für Auswertung der Informationen über Niobium(V)-Komplexe, die infolge der Mischung von Pyr14Cl mit K2NbF7 oder NbCl5 erhalten wurden, sowie Informationen über mögliche Bildung von Niobiumkomplexen niedriger Oxidationsstufen, wurden Raman- und FTIR-Spektroskopie angewendet. Die Struktur und Zusammensetzung von Niobium(V)-Spezies in basischen und saueren ionischen Flüssigkeiten (x)Pyr14Cl-(1-x)NbCl5 und (x)Pyr14Cl-(1-x)K2NbF7 (x=0.85-0.20) im Temperaturbereich 20-200oC wurden mittels in situ Raman-Spektroskopie untersucht. Die elektrochemische Charakterisierung von Niobium(V) in ionischen Flüssigkeiten ist mit Hilfe von verschiedenen Techniken (die Cyclische Voltammetrie, Chronoamperometrie und Chronopotentiometrie) sowie verschiedenen Elektroden-Sätzen zwecks elektrochemischer Abscheidung von Niobium zustande gekommen. Es wurde Einfluß von Temperatur, Komposition sowie Vorhandensein von Niobiumpulver bzw. Verwendung von löslicher Niobiumelektrode neben den Zusätzen von Alkalimetall-Halogeniden auf die Reduktion von Niobium(V) in ionischen Flüssigkeiten zur Abscheidung von Niobium detailliert untersucht. Der Mechanismus elektrochemischer Reduktion von Niobium(V) in ionischen Flüssigkeiten (x)Pyr14Cl-(1-x)NbCl5 und (x)Pyr14Cl-(1-x)K2NbF7 (x=0.85-0.20) wurde aufgrund der Kombination von elektrochemischen und spektroskopischen Daten festgestellt. Die Beschichtungsversuche wurden in am meisten geeigneten ionischen Flüssigkeiten unter Verwendung von verschiedenen Techniken und Substraten sowie ESEM/EDAX-Untersuchungen durchgeführt.

Abstract

(Englisch)

Niobium is widely used because of its many unique properties: superconductivity, thermal and mechanical stability, high corrosion resistance, physiological inertness, etc. High temperature molten salts consisting of alkali metal halides with different salts of niobium were found to be the efficient baths for niobium electroplating. In general, a main disadvantage of such electrolytes is high operating temperatures (600-900°C) at which the substrate can suffer thermal damage and structural changes. Therefore, the low-temperature molten salts, or ionic liquids are an attractive alternative media for electrochemical deposition of refractory metals at temperatures below 200oC. The series of the novel ionic liquids consisting of 1-butyl-1-methylpyrrolidinium chloride (Pyr14Cl) as an organic part and different salts of niobium(V), namely NbCl5 and K2NbF7 as an inorganic one were synthesized at various mole fractions of the components for the potential electrochemical application. The Raman and FTIR spectroscopy was used to obtain the information about the complexes of niobium(V) formed during the mixing of the Pyr14Cl with K2NbF7 or NbCl5 and about the possible formation of the complexes of niobium in lower oxidation states. The structure and composition of niobium(V) species in the basic and acidic ionic liquids (x)Pyr14Cl-(1-x)NbCl5 and (x)Pyr14Cl-(1-x)K2NbF7 (x=0.85-0.20) was investigated over the temperature range 20-200oC by means of in situ Raman spectroscopy. Electrochemical characterisation of niobium(V) in ionic liquids was performed using different techniques (cyclic voltammetry, chronoamperometry and chronopotentiometry) and various set of the electrodes with respect to the electrochemical deposition of niobium. The influence of the temperature, composition, presence of niobium powder or using niobium soluble electrode as well as the additives of alkali metal halides on the reduction of niobium(V) in ionic liquids for the sake of electrodeposition of niobium was investigated in details. The mechanism of electrochemical reduction of niobium(V) in ionic liquids (x)Pyr14Cl-(1-x)NbCl5 and (x)Pyr14Cl-(1-x)K2NbF7 (x=0.85-0.20) was estimated on the base of electrochemical data in combination with the spectroscopic findings. Electroplating experiments were carried out in the most preferable ionic liquids using various techniques and substrates complemented by ESEM/EDAX investigations.

Autor*innen

Ievgeniia Lomako

Haupttitel (Englisch)

Electrochemistry and spectroscopy of niobium in ionic liquids

Paralleltitel (Deutsch)

Electrochemie und Spektroskopie von Niobium in ionischen Flüssigkeiten

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

XII, 141 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Geir Martin Haarberg ,

Keith E. Johnson

Klassifikation

35 Chemie > 35.14 Elektrochemie

AC Nummer

AC10502308

Utheses ID

18878

Studienkennzahl

UA | 091 | 419 | |

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